作者：Vinit Jayar，Victor Khasiev

PFC控制器的架構(gòu)

盡管有許多公司在生產(chǎn)不同類(lèi)型的PFC （Power Factor Correction，PFC）控制器，這些芯片的架構(gòu)和結(jié)構(gòu)卻極為類(lèi)似。大多數(shù)PFC控制器都采用增益調(diào)制器、電流誤差放大器 （IEA）、PFC比較器、電壓誤差放大器 （VEA） 和PFC脈沖輸出驅(qū)動(dòng)器。圖1是PFC控制器的模塊示意圖。

內(nèi)環(huán)是電流控制回路，包含了增益調(diào)制器、IEA和PFC比較器。外環(huán)控制回路是電壓控制回路，利用VEA作為誤差放大器。VEA輸出 （VEAO） 也是增益調(diào)制器的輸入之一。內(nèi)環(huán)電流控制回路修整來(lái)自交流線路的線電流，并與交流線電壓成正比。外環(huán)電壓回路調(diào)節(jié)PFC直流總線電壓，使之保持在大約385V左右。需注意的是，與電壓控制回路相比，電流控制回路的帶寬要大得多。

PFC控制器的PFC比較器 驅(qū)動(dòng)器部分在圖1中以虛線標(biāo)注，其設(shè)計(jì)圍繞PFC比較器。振蕩器產(chǎn)生鋸齒波形及與該鋸齒波形下降邊緣同步的時(shí)鐘 （CLK） 信號(hào)。圖1所見(jiàn)的鋸齒波形被稱(chēng)為“PFC_RAMP”信號(hào)，也即RAMP1。

如圖1所示，在周期開(kāi)始處，CLK信號(hào)為高時(shí)，PFC_OUT為低。一旦PFC_RAMP超過(guò)電流誤差放大器的輸出 （IEAO） 值，PFC_OUT就變高，最終接通外部PFC開(kāi)關(guān)管。PFC_OUT一直保持高電平直到周期結(jié)束，CLK會(huì)將它設(shè)為低電平。因此，PFC能實(shí)現(xiàn)尖端的調(diào)節(jié)功能。

通常，PFC芯片能確保PFC的負(fù)載周期D和PFC_OUT脈沖不會(huì)達(dá)到100%。防止了升壓電感器達(dá)致飽和。最大的負(fù)載周期會(huì)在AC線電壓的過(guò)零點(diǎn)處出現(xiàn) （如圖2所示的Ch2）。

因此，當(dāng)Vin為零時(shí)，控制器芯片限制負(fù)載周期為98%。例如，圖3所示是飛兆半導(dǎo)體的PFC控制器FAN4810的實(shí)際波形。這里Ch4是電流誤差放大器的輸出。

對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，設(shè)置正確的電流誤差放大器輸出值是非常重要的。例如，F(xiàn)AN4810規(guī)格定義RAMP1谷對(duì)峰電壓為2.5V。這意味著通過(guò)調(diào)節(jié)，IEAO電壓的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)該在RAMP1信號(hào)擺幅內(nèi)，如圖3所示的線跡Ch1和Ch4。

在許多IC中，IEA是跨導(dǎo)放大器 （transconductance amplifier）。圖1所示為圍繞該放大器的2類(lèi)補(bǔ)償電路。該補(bǔ)償電路與參考電壓引腳VREF連接，建立了PFC的軟啟動(dòng)功能。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，IEAO上升到參考電壓水平；隨著回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，IEAO從VREF水平下降到工作水平。這保證了PFC的負(fù)載周期從0% 逐漸增加到回路所需要的數(shù)值，從而提供了軟啟動(dòng)功能，如圖4所示。

增益調(diào)制器的功能

PFC控制器的中部心分是增益調(diào)制器和電壓誤差放大器，如圖1所示。該增益調(diào)制器會(huì)生成控制信號(hào)給電流控制回路，讓后者對(duì)這個(gè)輸入電流進(jìn)行修整。FAN4810 PFC控制器的電流控制回路確保電流傳感器的負(fù)反饋電壓被內(nèi)部Rcp電阻上的正電壓所平衡。這一正電壓由流經(jīng)Rcp的增益調(diào)制器輸出電流所生成。因此，所產(chǎn)生的線電流 （I_line） 和 ISENSE 引腳上的電壓被迫重復(fù)增益調(diào)制器輸出波形的形狀。換言之，這個(gè)情況：

I_line R_{s}=I_{GM} R_{cp} （1）

會(huì)常常出現(xiàn)。這里，Rs代表線電感電阻 （line current sense resistor），而IGM是增益調(diào)制器的輸出電流。

為了修整產(chǎn)生的線電流，增益調(diào)制器采用三個(gè)輸入：IAC、VRMS 和VEA輸出。引腳IAC通過(guò)1M 電阻與AC線整流橋的輸出相連接 （見(jiàn)圖6中的R4）。IAC為兩倍線頻率全波整流正弦波，與瞬態(tài)AC線電壓成正比。IAC實(shí)際上修整了增益調(diào)制器輸出電流，該電流由下式的正弦曲線描述：

I_{GM}=\frac{I_{VC} V_{RAO}}{V_{RMS}^{2}} （2）

在VRMS引腳的電壓是與AC線電壓RMS值成正比的DC電壓，如圖6所示。IGM 的設(shè)計(jì)與VRMS平方成反比。

為什么增益調(diào)制器的輸出電流必須與AC線電壓RMS 值的平方成反比呢？假設(shè)VEAO恒定不變，如果輸入線電壓加倍，為提供相同的功率，那么輸入電流及IGM就應(yīng)相應(yīng)減小一半。由式 （2） 可知，若線電壓加倍，IAC也會(huì)加倍。因此要抵消IAC 的增大，VRMS信號(hào)便應(yīng)增加4倍。

VEA帶寬和THD

增益調(diào)制器的第三個(gè)輸入是VEA輸出，會(huì)決定增益調(diào)制器輸出電流的幅值。VEA的輸入與監(jiān)測(cè)PFC輸出電壓的分壓器相連接 （圖6）。在FAN4810的例子中，F(xiàn)B引腳在額定總線電壓 （nominal bus voltage） 時(shí)被設(shè)置為2.5V。VEA是帶類(lèi)2補(bǔ)償電路的跨導(dǎo)放大器，如圖1所示。要關(guān)閉VEA的反饋回路，有兩個(gè)相互矛盾的要求：1） 回路應(yīng)具有足夠低的帶寬來(lái)緩減DC總線上的120Hz 紋波電壓，從而減小輸入線電流的總諧波失真 （Total Harmonic Distortion，THD）；2） 回路必須足夠快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

THD是設(shè)計(jì)人員考慮的重要因素。由于輸出電容的移相特性，大容量電容的電壓紋波相位與線電壓相比時(shí) （見(jiàn)圖3中的Ch 3） 位移了90度。因此與位移的電壓紋波成正比的信號(hào)直接輸入到VEA，放大器的增益和帶寬應(yīng)該受到限制。通常，電壓控制回路分頻頻率設(shè)置在10 ～30Hz之間。

增益調(diào)制器有兩個(gè)有趣的特性很少被提及。首先，轉(zhuǎn)移特性提供了自然的電壓過(guò)低保護(hù) （brown out protection）。增益調(diào)制器的最大增益被設(shè)計(jì)在最小線電壓處。若輸入電壓恰巧低于規(guī)定的最小值 （電力減弱情況），那么增益和PFC負(fù)載周期都會(huì)急劇下降，因而降低總線電壓。第二個(gè)有趣的特性是內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)功能。增益調(diào)制器的最大輸出電壓會(huì)被限制，在FAN4810中為0.8V。如果因?yàn)槿魏卧颍缬捎谶^(guò)載，ISENSE 引腳上的電壓下降到低于 0.8V，IEA的反相輸入對(duì)地負(fù)值將會(huì)更大。因此，IEAO水平將增加，這會(huì)降低PFC負(fù)載周期和總線電壓，從而限制輸出功率 （見(jiàn)圖1）。

PFC保護(hù)電路

如同其他控制器一樣，F(xiàn)AN4810包括了大量與PFC工作相關(guān)的保護(hù)電路。其中有過(guò)電壓保護(hù) （Over-Voltage Protection，OVP） 和過(guò)電流保護(hù) （Over-Current Protection，OCP） （見(jiàn)圖5）。利用由PFC OVP或電流限值設(shè)置的SR觸發(fā)來(lái)終止PFC輸出脈沖。所以，OVP和OCP故障會(huì)在每一個(gè)周期中被監(jiān)測(cè)及閂鎖。

飛兆半導(dǎo)體器件具有“三重故障 （Tri-Fault）”保護(hù)功能。這種保護(hù)可覆蓋以下故障：（a） FB引腳對(duì)地短路，（b） 從PFC DC總線分壓器到芯片的VFB引腳的連線 （引線或PCB走線） 斷裂，（c） 分壓器的頂端或底部電阻開(kāi)路 （圖6中的電阻R1、R2）。如果FB對(duì)地短路 （情況（a）），PFC_FB引腳上的電壓將低于0.5V，Tri-Fault 比較器輸出將停頓PFC OUT脈沖。在引線斷裂（情況（b）） ，內(nèi)部電流源開(kāi)始對(duì)電容Ctf充電。于是，一旦FB引腳上的電壓超過(guò)2.75V，OVP比較器將終止PFC輸出。電容Ctf （圖6中的C2） 是可選的選項(xiàng)，定義時(shí)間t_F 來(lái)觸發(fā)保護(hù)電路。

t_F=\frac{Ctf 2.75V}{200nA}

對(duì)于 （c） 的故障情況，OVP或TRI_FAULT將終止PFC_OUT脈沖。如果因任何原因DC總線電壓超過(guò)額定水平的10%，OVP保護(hù)開(kāi)始起作用。例如，若額定總線電壓為385VDC （FB引腳為2.5V），只要總線電壓超過(guò)423VDC （FB引腳為2.75V），OVP就會(huì)被觸發(fā)。

小結(jié)

PFC控制器集成了諸如過(guò)電壓保護(hù) （OVP）、過(guò)電流保護(hù) （OCP） 及FAN4810示例中的三重故障 （TriFault） 保護(hù)等功能，在AC/DC設(shè)計(jì)中起著重要的作用。帶有有源PFC及接近統(tǒng)一功率因子的轉(zhuǎn)換器能滿(mǎn)足ICE61000-3-2 規(guī)范的要求，減少了電源設(shè)計(jì)者的一個(gè)主要顧慮。

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